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量子力学是怎么来的?一篇文章读懂量子世界的“诡异”与强制解析

量子是什么?我们简单理解为最小的“东西”,小到无法分割的“物质”。

原子光谱的谜团

大部分物质是由分子构成,不同分子由不同原子或数量组成,原子又由原子核和核外电子组成,每种原子都有自己的光谱,原子光谱是原子中的电子在能量变化时发射或者吸收的特定频率的光波。

如图所示,激发原子中的电子至高能状态,电子跃迁时所发射的光波,经过分光仪后分散的光谱,按照电磁波理论,这些谱线应该是连续的,就像彩虹那样颜色和颜色之间应该是连接的,而不是一条一条的散开来,这个迷题让无数科学家解不开。还有光电效应和黑体辐射之谜,这里就不举例了。

小知识:每个原子的光谱都不一样,原子光谱就像人类的“指纹”,每个指纹对应着一个人。

量子化的假设

1900年德国科学家普朗克提出石破天惊的假设,“电磁波辐射的能量不是连续的,而是一份一份的传播”,在当时的世界观看来这说法太“玄幻”了,有点“离经叛道”的感觉,就连普朗克本人都质疑该的理论。

随着普朗克更深入的研究与思考,提出电磁波辐射的能量最小单位是,这个单元成为能量量子,既然它是最小的单位,那么辐射的能量将是hν的倍数化。即辐射的能量多少为:E = hν ~ 2hν ~ 3hν ~ 4hν……

hν:h为普朗克常数,h=6.626×10⁻³⁴J∙s,这么看似乎没感觉有多小,但换成数字为:h=0.0000000000000000000000000000000006626J∙s,小到无法想象。

ν为电磁波频率。

虽然普朗克本人也觉得不太靠谱,加上许多科学家的质疑,也难怪太不可思议了,但是他提出的量子化假设却把科学引进了量子物理。该假设却成为量子革命的开端。

量子力学的建立

爱因斯坦曾经评价“普朗克提出了一个全新的,从未有的概念,能量量子化概念”。为了研究量子问题,海森堡、玻恩和约尔丹创造出矩阵力学,思想出发点针对波尔模型中的许多观点,比如电子的轨道、频率等都不是可以直接观察的。同一时间薛定谔根据微观粒子的波动性创造出波动方程来描述粒子的运动规律,建立起波动力学

波尔模型:波尔提出了电子在原子核外面的量子化轨道进行绕原子核运动。电子跃迁到另外一个轨道后会发射或吸收能量。比如电子吸收能量后,会跃迁到离原子核更远的轨道上运动。

刚开始时海森堡和薛定谔两方互相排斥,但是两方的理论都能解释相同的物理实验现象,这就有点说不过去了。到了1926年狄拉克运用数学原理把矩阵力学和波动力学统一起来, 先让“两派”结合形成有逻辑的、能融洽的理论体系,统称为量子力学。两年后再把爱因斯坦相对论引进量子力学,比如接近光速的运动电子,应该用相对论量子力学去解决。

波粒二象性

上面简单的介绍了量子力学的假想和建立,下面我们来介绍粒子的基本知识。

杨氏双缝干涉实验

如上图,用一种颜色的光平行照射S缝,通过S′和S″两缝后在最右边屏幕显示出一系列条纹。条纹展开如下图,

明显可以查看到明暗的干涉条纹,证明了光具有波动性。光从两缝通过后,波峰和波峰叠加形成亮条纹(图上白色条纹),波峰和波谷叠加形成暗条纹(图上黑色条纹),类似于日常生活中的两个水波叠加现象。人们认为光是通过“光量子”传播,光子也是一种粒子。光具有波粒二象性

1.量子的“诡异” —— 神奇的干涉条纹

平常生活中人们对波动的干涉理解为,必须具备两个波源相互影响,波峰叠加形成亮条纹。比如水波的干涉,必须有两个水波才能形成干涉。用杨氏双缝实验办法,经过电子发射抢发射一束电子,屏上也会显示出干涉条纹。

讲到这里,很多人可能说发射一束电子,由于电子具有波的性质,大量的电子相互干涉产生干涉条纹似乎没有什么可奇怪的。的确也没什么奇怪的,但是接下来再做一个实验,这次把电子枪调一下,一次只发射一个电子,按照我们正常的思维,那么这个电子肯定会穿过其中的一条缝射在屏上,还能发生干涉条纹不成?

这可不一定了!电子一个一个的发射,等到上一个发射完打到屏上,在继续发射下一个电子,刚开始电子杂乱无章的在屏上呈现,但是随着发射越来越多电子的时候,屏上竟然出现了干涉条纹!我看看下图

第一张发射了7个电子,没什么规律似乎随便分布,第二张发射了100个电子,也没看出什么,随着发射3000、20000、70000后,到了第五张图明显出现了干涉条纹!这究竟是怎么回事呢?电子是自己和自己干涉的吗?无论是一起发射还是一个个的发射,干涉条纹都一样。用其它的粒子来做实验也是这个结果,得出结论:单个粒子也能表现出波动性。随着中子、质子及原子等粒子都证明具有波的性质,最后确定了所有实物粒子都具有波粒二象性

结论是有了,但还不知道为什么会这样!

2.量子的“诡异” —— 喜欢捉迷藏的电子

不知道上面的双缝实验中,大家有没有想到一个问题,电子究竟是从哪个缝穿过到屏上的?会不会是电子的“分身术”,一分为二同时从双缝进去,并且发生干涉?为了搞清这个科学家想到了一个办法,那就是在两缝后面都装上光子探测器,由于电子会散射光会被光子探测器捕捉到。比如电子从缝1穿过,则缝1附近会有闪光,缝2也一样道理。

实验也是一个一个的发射电子,等上个电子打到屏上再发射下一个,实验结果是电子要么从缝1穿过要么就是从缝2穿过,所谓的“分身术”并没有,电子如果从缝1穿过,那么就会落在缝1后面的位置,如果从缝2穿过就落在缝2后面位置,但是干涉条纹却不见了!只有缝1和缝2对应的两条纹。

有科学家不甘心,认为是通过光子探测器观测的缘故,由于光子会和电子碰撞干扰,导致干涉条纹消失,所以把光的强度调的很小,但是发现观测到的电子老老实实的落在单缝后面位置,而没被观测到的电子就落在了双缝干涉位置!简直无法置信!

再来一个实验,这会的不调光的强度了,调光的频率,公式p=hν/c,频率越低光子的能量和动量就很小,干扰因素很低,这会双缝干涉条纹又出现了,但由于频率低和电子碰撞散射的光子完全模糊,已经看不清电子从哪个缝穿过了,这会科学家也很无奈。

公式:根据E=mc²,E=hν,p=mc。得出:p=E/c=hν/c

似乎电子在玩“捉迷藏”,当你看它时就老老实实的落在所穿过的缝后方,不看它时就落在双缝干涉条纹的位置,无论怎么都不会让你发现它的运行轨道。

3.量子的“诡异” —— 量子纠缠

爱因斯坦和几个同事发表论文提出量子的纠缠态,没错,又是爱因斯坦,他除了是相对论的创始人同时也是量子力学的奠定人之一。具体的论文表达了:有一定关系的一对粒子,无论距离有多么远,只要对其中的一个粒子进行测量,可以瞬间影响到另外一个粒子的属性。

一对粒子无论距离有多远也能够做到瞬间反应!爱因斯坦称其为“幽灵般超距作用”,简单理解为有一对粒子,一个在地球,另一个在银河系外面,当我们对这个粒子测量时,银河系外面的粒子马上做出反应改变状态,它们究竟是通过什么“传递信息”呢?这种传递速度连光速都无法比拟。

科学也经过多次实验验证量子纠缠现象,但至今未能解释其原理。

总结与思考

微观世界的粒子性质是如此神奇,“干涉条纹”、“捉迷藏的电子”和“量子纠缠”简直让人无法理解。电子的捉迷藏中,哥本哈根派解释其实电子是不存在的,只有我们测量或观察的时候才存在,爱因斯坦回答“你是否相信,我们没有看月亮时候,月亮就不存在了”,爱因斯坦说的也有道理,但也不能完全排除哥本哈根派的说法。举一个例子,我们拿来一个密封的空盒子,它里面什么都没有,但是我们打开盒子来看,它里面就存在满“光子”。


微观世界之所以神奇是因为粒子的构成因素,粒子之间都存在着波动叠加态,由于会受到外界因素的干扰,比如光、磁场等诸多因素都会叠加态退去,量子力学有个退相干理论,如果环境中有大量的粒子“干扰”,那么退相干的时间会相当快,几乎是瞬时的,这个得到了科学的证实并且可以计算出退相干的时间。

这个结论想想都不可思议,根据量子纠缠超距和退相干因素,我们每个人都是跟宇宙联系叠加在一起,由于退相干原理使得我们才可以保持着“整个人”的状态!那么粒子间是通过什么作用叠加在一起呢,用宏观物理角度是无法寻求答案的。

如果把量子不是实物粒子而是一股能量,比如电子,这股能量来自量子空间的局域震动(振幅小扩散,振幅大吸收),也是有质量的,“光子”也是一样(详细理论请查看我写的宇宙新模型与12维空间),由于“光子”本身能量结合电子能量形成更大质量的能量体,导致能量不易散播,干涉条纹也就没有了,电子由于能量/质量变大具有实物粒子的特征,造成退相干现象。

量子纠缠中,所用的传递信息是“振幅”更小的量子局域空间,至低于光振幅的1/4,所以超光速传递,“实物基本粒子”能量/质量太大,远远达不到这个速度,再怎么加速也无法达到,如果假设真的超过了光速,这个空间支撑不了将会破裂开,跟量子纠缠传递原理不一样。如果想不通就慢慢想,思维上的理论,只作为参考非一定正确。

注:三维空间为基础的思考。避免了M/弦理论的科幻和多维空间的烦恼。

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